Лабораторная работа № 5
Исследование активных схем плавной регулировки усиления
Цель работы: сравнительное исследование регулировочных характеристик и частотных свойств различных способов плавной регулировки усиления.
Порядок выполнения работы
1. Исследуйте влияние изменения режима работы биполярного транзистора на коэффициент усиления каскада. Для этого соберите схему усилителя на сопротивлениях на биполярном транзисторе с питанием фиксированным током базы. Изменяйте и контролируйте режим транзистора (записывайте значение постоянного тока базы и постоянного тока коллектора), измеряйте при этом коэффициент усиления (сквозной и отношение выходного и входного напряжений) и верхнюю граничную частоту входной и выходной цепей на уровне 0,7 (внутреннее сопротивление источника сигнала возьмите равным 50-100 Ом). Форму сигнала контролируйте осциллографом.
Режим транзистора изменяйте, изменяя сопротивление Rб. Целесообразные границы изменения тока коллектора – от 1 мА до (15-25) мА.
Следите, чтобы при изменении режима работы транзистора не попасть в нелинейную область характеристик.
=
Rб ≈
= |
Rк |
Uвых |
Rген Ср1
Rн
≈ ≈
х
Рис. 5.1. Схема регулировки усиления изменением режима с помощью сопротивления в цепи базы
Постройте регулировочную характеристику (в данном случае - зависимость коэффициента усиления от режима работы транзистора, то есть от постоянной составляющей тока коллектора, поскольку изменение усиления происходит именно за счет изменения режима) и кривую
47
зависимости верхней граничной частоты входной и выходной цепей на уровне 0,7 от регулирующего параметра. Одновременно оцените зависимость коэффициента передачи входной цепи на частоте генератора от изменения режима. Результаты измерений занесите в таблицу 5.1.
Таблица 5.1 Исследование влияния изменения режима на коэффициент усиления и полосу пропускания каскада
Условия эксперимента: Е=…, Rген=…, fген=…, ……
Rб , кОм
Ik=, мА
Iб=, мкА
Ik~, мА
Iб~, мкА
Uвх , мВ
Uвых , мВ
Квх
Квых
fв вх
fв вых
fн вх
fн вых
Iko
Iб0
2. (В зависимости от рекомендации преподавателя и желания студента этот пункт может быть опущен). Возможен другой способ изменения режима транзистора – изменением сопротивления в цепи эмиттера, зашунтированного конденсатором большой емкости, чтобы исключить появление отрицательной обратной связи, влияние которой на коэффициент усиления и полосу пропускания изучается отдельно.
Соберите схему эмиттерной стабилизации, выбрав Rэ таким образом, чтобы при максимальном токе коллектора (допустим, 15-20 мА) падение напряжения на нем было порядка 3 В. Ток делителя выберите равным (1050) токам базы (схема на рис. 5.2). Напряжение на коллекторе и ток коллектора возьмите равными соответствующим значениям в средней точке измерений по пункту 1.
48
=
Ср1 |
Rб1 |
Rк |
|
|
C р2 |
|
|
Вх |
|
|
|
|
|
Rн |
≈ |
≈ |
Rб2 |
Rэ Сэ |
|
Рис. 5.2. Схема регулировки усиления изменением режима с помощью сопротивления в цепи эмиттера
Изменяйте режим работы транзистора, как и в пункте 1, но изменением сопротивления в цепи эмиттера (Rэ), зашунтированного конденсатором емкостью 500 мкФ. Повторите измерения пункта 1 и сравните полученные результаты.
Для того, чтобы убедиться, что способ изменения режима не имеет существенного значения до тех пор, пока Rб не станет соизмеримым с
входным сопротивлением транзистора, нет смысла снимать много точек. Достаточно измерений в двух-трех точках.
3. Модернизируйте одну из выше приведенных схем таким образом, чтобы ток покоя коллектора был максимальным из фигурировавших в экспериментах 1 и 2 (например, вариант изменения схемы рис. 5.2 изображен на рис. 5.3). Сопротивление Rэ вновь зашунтируйте конденсатором емкостью 200-500 мкФ.
Добавьте в цепь эмиттера переменное сопротивление, включив его таким образом, чтобы при изменении сопротивления режим транзистора не менялся (рис. 5.3). Переменное сопротивление выберите так, чтобы оно позволяло изменять коэффициент усиления примерно во столько же раз, во сколько его изменяли в пункте 1.
Эксперимент выполняется для одного из вариантов схем – эмиттерной стабилизации или питания фиксированным током базы.
По измеренному в выбранной рабочей точке коэффициенту усиления оцените крутизну транзистора и выберите регулировочное сопротивление так, чтобы обеспечить изменение коэффициента усиления примерно в тех же пределах, что и в эксперименте по пункту 1.
49
S = |
Kо |
, |
Rэкв = |
RкRн |
; |
Rрег = |
A −1 |
, |
||
S |
|
|||||||||
|
|
|||||||||
|
Rэкв |
|
Rк +Rн |
|
|
|||||
где A- глубина регулировки усиления.
Изменяйте величину переменного сопротивления (старайтесь изменять коэффициент усиления примерно в тех же пределах, что и в пунктах 1, 2, и повторите измерения, необходимые для оценки зависимости коэффициента усиления, сквозного коэффициента усиления и верхней граничной частоты от величины регулирующего параметра (регулирующего сопротивления в цепи эмиттера). Результаты измерений занесите в таблицу 5.2, аналогичную таблице 5.1.
Сравните изменение верхних граничных частот при одних и тех же изменениях коэффициентов усиления в различных схемах регулировки.
|
|
= |
Rб |
Rк |
Cр2 |
Cр1 |
|
E |
|
|
|
≈ |
Rрег |
Rн |
=
Rб1 |
Rk Cр2 |
Ср1
Rн Uвых
Uвх Rб2 |
Rэ Сэ |
Rрег
Рис. 5.3. Схемы регулировки усиления изменением глубины обратной связи
50
Таблица 5.2 Исследование влияния изменения режима на коэффициент усиления и полосу пропускания каскада
Условия эксперимента: еген=…, Rген=…, fген=…, Iko=…,……
Rрег , кОм
Uвх , мВ
Uвых , мВ
Квх
Квых
fв вх
fв вых
fн вх
fн вых
Для удобства сравнения схем регулировки усиления целесообразно построить зависимости исследуемых параметров от значения коэффициента усиления. При этом более наглядными будут достоинства и недостатки исследуемых схем при одинаковой глубине регулировки усиления.
3.Напишите отчет о проделанной работе. Отчет должен содержать
Титульный лист
Цель работы
Принципиальные схемы исследуемых звеньев
Расчетные соотношения
Таблицы с результатами измерений
Графики исследуемых зависимостей
Выводы по проделанной работе. Структура каждого вывода:
наблюдается то-то и то-то; это происходит потому, что…..
Вопросы для самоконтроля в процессе подготовки
(если перед началом эксперимента ясны ответы не на все вопросы, попробуйте найти их в процессе проведения лабораторной работы)
1.Какова зависимость крутизны биполярного транзистора от режима его работы?
2.Как зависит коэффициент усиления каскада на биполярном транзисторе от его крутизны в рабочей точке?
3.Как и за счет чего изменяется верхняя граничная частота каскада при изменении режима работы транзистора?
4.Чем определяется коэффициент передачи входной цепи на средних частотах и чем вызвано его изменение при изменении режима работы транзистора?
5.Какими способами (схемами подключения к источнику питания) можно обеспечить режим работы биполярного транзистора?
51
6.Как зависит верхняя граничная частота входной цепи от коэффициента усиления каскада и почему?
7.С чем связаны изменения нижней граничной частоты входной цепи при изменении коэффициента усиления каскада (в каждом из способов регулировки усиления)?
8.Чем объяснить, что нижняя граничная частота выходной цепи практически не меняется при изменении коэффициента усиления каскада (в каждом из способов регулировки усиления)?
52
Лабораторная работа №6
Определение высокочастотных параметров биполярных транзисторов
Цель работы: Научиться определять высокочастотные параметры биполярных транзисторов (емкость коллекторного перехода Сбк и постоянную времени транзистора τ) и на их основе входную динамическую емкость.
Искажения, создаваемые входной цепью каскада, описываются постоянной времени верхних частот входной цепи:
τ |
ввх |
=С |
|
Rген Rвх |
, |
(6.1) |
|
|
|||||||
|
вхдин |
|
R |
+ R |
|
|
|
|
|
|
|
ген |
вх |
|
|
Rген – выходное сопротивление источника сигнала, Rвх – входное сопротивление каскада,
Свхдин – входная динамическая емкость каскада, определяемая суммой
С |
≈ |
τ |
+С |
(1+ К |
) , |
(6.2) |
|
||||||
вхдин |
|
|
бк |
0 |
|
|
|
|
r б |
|
|
|
|
К0 – коэффициент усиления каскада, τ - постоянная времени транзистора, rб – объёмное сопротивление базы,
Сбк – емкость перехода база-коллектор.
Искажения, создаваемые выходной цепью каскада, определяются постоянной времени верхних частот выходной цепи:
τввых =τ +Сбк (1+ S0rб) Rэкв +Cн Rэкв , |
(6.3) |
где S0 - крутизна транзистора в рабочей точке,
Rэкв - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, состоящее из параллельно включенных выходного сопротивления транзистора Ri ,
сопротивления коллектора Rk |
и сопротивления нагрузки Rн : |
|
||||
R |
= R |
R |
R ≈ |
Rk Rн |
. |
(6.4) |
|
||||||
экв |
i |
k |
н |
Rk + Rн |
|
|
|
|
|
|
|
||
Порядок выполнения работы
1. Выберите рабочую точку транзистора, высокочастотные параметры которого подлежат измерению. При выборе рабочей точки целесообразно пользоваться характеристиками транзистора, измеренными при выполнении лабораторной работы № 1. Желательно, чтобы рабочая точка
53
находилась на линейном участке входной (проходной) характеристики транзистора.
Для определения Сбк и τ можно использовать соотношение (6.1). Для этого необходимо предварительно определить входное сопротивление и крутизну транзистора в рабочей точке. Для измерений может быть использована схема, изображенная на рис. 6.1 (здесь и далее для примера взят транзистор 2N2923).
При измерении Rвх и S0 частота генератора выбирается примерно
равной 1-5 кГц, чтобы исключить влияние изменения этих параметров по мере увеличения частоты. Как видно из рис. 6.1, ёмкость разделительного конденсатора на входе выбрана равной 1 мкФ, также чтобы исключить влияние искажений, теперь уже на нижних частотах.
Рис. 6.1. Схема измерения параметров транзистора 2N2923 на переменном токе
В результате измерений для схемы рис. 6.1 Iб≈ = 9,83 мкА, Ik≈ = 1,28
мА, Uб≈ = 6,09 мВ. При этом Rвх =Uб≈ / Iб≈ =6,09 10−3 /(9,83 10−6 ) =620 Ом, S0 = Ik≈ /Uб≈ =1,28 10−3 /(6,09 10−3 ) = 210 мА/В.
При выполнении этого эксперимента для контроля можно определить Rвх другим способом: вольтметр, измеряющий переменное напряжение, подключается непосредственно к выходным зажимам генератора переменного тока для измерения ЭДС источника сигнала е. Коэффициент передачи входной цепи определяется как
Квх = RгенR+вхRвх =Uеб≈ .
54
2. Для определения τввх следует измерить верхнюю граничную частоту fввх частотной характеристики входной цепи на уровне 0,7 (-3 дБ).
В |
нашем |
примере fввх = 15,1 МГц. При этом τввх =1/ 2π fввх и |
|||
С |
|
= |
τ |
|
+С , поскольку в схеме на рис. 6.1 отсутствует сопротивление |
вхдин |
|
||||
|
|
rб |
бк |
||
|
|
|
|
||
в цепи коллектора и, следовательно, коэффициент усиления равен нулю. Поскольку в формуле (6.2) две неизвестных величины, следует найти
еще одно значение Cвхдин , добавив сопротивление в цепь коллектора и
изменив напряжение источника питания таким образом, чтобы рабочая точка транзистора осталась прежней:
Е=Uk0 + Rk Ik0 .
Внашем примере E = 5 1 103 6,06 10−3 =11 В (рис. 6.2).
Рис.6.2. Схема измерения для случая Rk ≠ 0
K |
0 |
=U |
k≈ |
/U |
б≈ |
=1,2 /(6,09 10−3 ) =197 , f |
ввх |
=1,44 МГц. |
|
|
|
|
|
Искомые величины определяются решением системы уравнений:
|
С |
= |
τ |
|
+С , |
|
τ |
ввх |
/ R |
= |
|
1 |
|
|
Rген + Rвх |
, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
вхдин |
|
rб |
бк |
|
|
|
экв |
|
2π fввх |
|
Rген Rвх |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
С |
|
= |
τ |
|
+С |
(1+ К |
) , |
|
|
τ |
ввх |
/ R |
|
= |
|
1 |
|
Rген + Rвх |
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
вхдин |
|
rб |
|
бк |
0 |
|
|
|
|
экв |
|
2π fввх1 |
|
Rген Rвх |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
В рассматриваемом примере Cбк = 5,8 пФ, τ = 0,19 нс ( rб = 1,63 Ом –
из списка параметров транзистора).
Результаты определения высокочастотных параметров целесообразно проверить, используя их для расчета постоянной времени выходной цепи
55
τввых по формуле (6.3) с последующим измерением верхней граничной частоты выходной цепи и вычислением по ней τввых для сравнения с ранее
вычисленным значением.
При выполнении этого эксперимента необходимо исключить влияние входной цепи на полосу пропускания. Для этого следует либо сделать Rген
равным нулю (рис. 6.3), либо подключить входной сигнал от плоттера непосредственно к базе (рис. 6.4).
Вычисленное в нашем примере τввых равно 7,9 нс ( fввых = 20 МГц), измеренная fввых = 23,2 МГц – погрешность составляет 16%.
Рис. 6.3. Измерение частотных свойств выходной цепи с Rген =0
Рис. 6.4. Измерение частотных свойств выходной цепи
56